重庆邮电大学——现代通信技术ppt课件-绪论.ppt

1 现代通信技术 第一章绪论2006年9月 2 前言 一 开设本门课的目的 二 课程特点三 学习要求四 辅导时间星期一晚上 3 第一章绪论 1 1通信的基本概念通信 即信息的传递与交换 通信是人类社会发展的基础 是推动人类文明与进步的巨大动力 下面我们将讨论信息及相关的概念 在我们的教材上 这样论述的 信息是一切客观事物之间影响的总合 或者说是不确定性的消息总量 对信息的一般解释是 人认识或感觉到的一切有价值的相互之间的影响 4 一 消息 信息和信息量 人类是通过嘴巴 耳朵 眼睛等与对方进行信息交换的 当想要了解某些东西的时候 往往都是通过书本 电视和现在的电脑上的文字 图像 声音和各种数据来获取信息的 因此 我们作如下定义 1 消息 一般将语言 图象 声音和各种数据统称为消息 上面的论述我认为不准确 也不好理解 下面我们重新进行论述 5 那么语言 图象 声音和各种数据等各种消息是用来干什么的 它们都是用来承载和传递信息的 同样的信息可以用不同形式的消息来承载和传递 2 信息 将消息给予受信者的新知识称为信息 即 信息是指对消息接收者来说预先不知道的报道 辞海 所以消息和信息不完全是一会事 信息是本质 消息是信息载体和表现形式 形式是各种各样的 但本质不变 6 3 信息量 消息携带信息的多少 科学家哈特莱提出了采用消息出现的概率倒数的对数作为信息的度量单位 即 一个二进制携带1bit一个四进制携带2bit多进制信息传输效率高 但抗干扰差 7 二 信息的主要特征 1 信息的普遍性 即信息普遍存在于客观世界 2 信息的无限性 即信息的资源是无限的 不仅可以再生 而且可以无损耗地转让 继承 3 信息的商品性 即信息的价值在交换过程中实现 但并不失去其使用价值 交换的次数越多 使用价值越大 4 信息的传递性 8 即信息可以通过媒体广泛传播与反馈 5 信息的共享性 即信息可以同时被许多使用者共用 而本身所含信息量并不减少 6 信息的时效性 即信息从发出 接收 加工处理到利用的时间间隔及其效率 信息的及时性与有效性成正比 7 信息的可转换性 即信息可转化为多种表现形式 如语言 文字 图像 符号等等 9 三 信息技术 信息技术是能够扩展人的信息功能的技术 主要包括 扩展人的感觉 包括视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉 主要是视觉和听觉 器官采集信息功能的感测技术 扩展人的神经系统传递和交换信息功能的通信技术 10 扩展人的思维器官存储 分析 加工 处理信息功能的计算机技术 扩展人的施效器官施用信息功能的控制技术 四种信息技术的关系 即感知世界 信息的传递与交换 分析世界和改造世界 如此循环 上面的关系可以用下图表示 11 图 信息技术 神经系统 信息传递 分配 思维器官 信息存储 分析 加工 处理 神经系统 感觉器官 信息采集 施效器官 信息施效 12 四 电信 1 通信发展的三个阶段纵观通信的历程可以把通信的发展分为以下三个阶段 第一阶段是语言和文字通信阶段 在这一阶段 通信方式简单 内容单一 上述四种技术就是信息技术中最基本的核心技术 除此之外还包括微电子技术 存储技术 软件技术 网络技术 显示技术 声像技术等 13 第二阶段是电通信阶段 1837年 莫尔斯发明了电报机 并设计出莫尔斯电报码 1876年 贝尔发明电话机 这样利用电磁波不仅可以传输文字 还可以传输语音 由此大大加快了通信的发展进程 1895年 马可尼发明了无线电设备 从而开创了无线电通信发展的道路 第三阶段是电子信息通信阶段 2 电信通信包括邮政与电信 本课程讨论的通信技术主要是电信技术 14 所谓电信是指利用有线 无线的电磁系统或者光通信系统 传递 发射或者接收语言 文字 数据 图像以及其他任何形式的信息活动 摘自 中华人民共和国电信管理条例 简而言之 利用电或光来传递信息的通信方式 利用电或光来传递信息 主要是电或光的传播速度是最快的 可以克服空间的限制 快速地完成不同地点之间的信息传递与交换 而且通信容量大 尤其是光通信 在对通信技术学习之前 首先介绍相关的基本概念 15 1 1 1通信系统 通信和基本目的是由信源向信宿传送信息 eg 广播通信中播音员的声音 通过电台发送载有声音的电磁波信号 经过大气空间这个传输媒介 即信道 的传输 到达非常大范围的区域 在这个区域大任何一台收音机都可以把信号接收下来 并把信号还原成声音传送给听众 因此 任何通信系统都可以抽象概括如下图所示的一般通信系统模型 16 通信系统模型示意图 所以通信系统由信源 发送设备 信道 接收设备和信宿组成 注意 图中的噪声不是人为设备 17 信源又称信息源或发终端 是信息的产生地 是各种消息转换成电信号g t 的转换器 根据消息的不同 信源可以分成音频信源 视频信源和数据信源等 而根据转换后输出的信号的类型 又可将信源分为模拟信源和数字信源 发送设备是用于将信号发送出去的设备和电路的总合的概念 包含很多具体的电路和设备 发送设备的典型组成包括在模拟通信系统中的调制 放大 滤波和发送功能模块 以及在数字通信系 18 统中特有的编码 加密等功能模块 其主要作用是将信源产生的信号转换成适合信道的信号s t 转换后的信号应载有信源的信息 信道是信号的传输通道 其对信号的传输性能直接影响系统的通信质量 从形态上划分 信道主要分成有线信道和无线信道两种 接收设备也是若干设备和电路的总称 其作用与发送设备的作用正好相反 接收设备主要完成从接收到的信号r t 中正确恢复原始信号g t 的工 19 作 如解调 译码等 信宿又称受信者或收终端 是信息传输的终点 其作用是将电信号转换成原来的消息 图中的噪声不是人为设备 在通信的过程中 通信设备要受到来自系统内外各方面的噪声干扰 通信的各个环节以及每一台设备都可能产生噪声 为了更方便地分析问题 并考虑到信道上的干扰最为严重 故不妨把噪声干扰集中在信道上并抽象为n t 20 一 通信系统的分类 根据通信内容可分为 语音通信 由于信道传输特性的不理想和信道的噪声和干扰 所以接收设备恢复的信号g t 是原信号g t 的近似值或估计值 所以 通信就是在某种信道上 在噪声干扰的情况下 如何对信号进行最有效变换和处理 使收端恢复的信号的失真最小 21 语音通信是以人的听觉为服务对象的通信方式 其中电话最具代表性 电话为什么会如此发达 能构筑起如此规模巨大的电话网呢 那是因为利用语言的声音和听觉的信息交换具有实时 高效的突出特点 即最方便 最快的信息交换方式 而电话正是实现这种信息交换的一种通信方式 满足了通信的基本要求 所要求的条件也比较明确 所以自电话发明以来使用电话与远方的朋友交谈的通信方式一直沿续至今 几乎没有什么变化 而规模则不断地扩大 22 图像通信人通过视觉所获得的信息是最多的 在视觉信息中 以文字为主 其次是图形 文字通信包括沿袭至今的电报和用户直通电报 而传真作为一种包含有图形的纸面信息如今已非常普及 处理自然场景的图像通信是人们用于直接交换信息的通信系统 由于图像信号包含有一些多余信息 所以信息量很大 除传统电视 目前已开发的有电视电话 电视会议 场景监视等多种系 23 统 但既不损伤图像通信的质量 又能降低通信成本的研究工作仍在继续进行 数据通信 计算机通信 数据通信所传送的是经计算机处理后的符号 与声音和图像通信相比 声音和图像在传送时如果出现了一点点差错 对声音和图像的影响较小 但对数据通信则不行 要求正确传送不能出一点差错 因此 对数据通信系统来说 差错检出和纠错时必须具备的重要功能 多媒体通信 24 根据传输信号的性质可分为 模拟通信系统和数字通信系统 根据信道的不同可分为 P2主要划分为有线通信和无线通信 25 三 对信息通信的技术要求 对信息通信系统提出了下述四项要求 必须保证通信所需的质量 可靠性 使用方便 降低成本和运行的费用作为一种服务设施 尽可能地降低成本 降低设备和运行所需的费用也是一个重要的方面 下面我们更具体地讨论 1 信息通信系统所需的带宽 26 对信息通信系统来说 所需要的传送带宽是由所处理的信息量和所处理这些信息所需要的时间来决定的 人耳可以感觉到的频率范围大约为30 20000Hz 在声音当中频率越高 能量就越小 所以在电话中只传送能听清对方说话声的0 3 3 4kHz的部分 但要得到高质量的声音信号 则必须有更高的频率 如要听高质量的音乐 则频率必须提高到15kHz以上 27 传真借助扫描来分解图像的 将每一个细分后的像素 也称为点 处理成黑或者白的二值信息后再进行传送 例如一张A4的纸面在横向8点 纵向也是8点 将整张纸面划分为若干个点 那么一张A4的文件的信息量为 8点 210 8点 297 4Mbit如果用一分钟来处理这些信息量 其处理速度就必须达到约66kbit s 电视方式的带宽约为6MHz 其带宽远远大于电话所需带宽 所以开发了多种能去除图像信号中的冗余度的高效编码方式 现在用2 3Mbit s 28 的处理速度就可以获得高质量的传递 重现图像的质量与标准电视一模一样 数据通信所处理的信息量随着用途不同 范围极宽 在每秒监视一次有无异常情况发生的系统中 只需要1bit s就足够了 如要在两分钟内传送1Mbit的FD 软磁盘 的内容 那么需要64kbit s 如果只用一秒钟左右传送则需要1 5Mbit s 用LAN 局域网 组成的高级计算机系统信息量达100Mbit s 1Gbit s 29 2 通信系统的质量要求 P2 P3通信系统的主要质量指标是围绕传输的有效性和可靠性来制定的 这些主要质量指标为 有效性指标 符号速率又叫信号速率 消息速率 N它表示单位时间 每秒 信道上实际传输的符号数或脉冲个数 单位 波特 即每秒传输的符号个数 信息传输速率 简称传信率R它表示单位时间内系统传输的信息量 即二进制码元数 单位 bit s 30 即单位频带内的信息传输速率 频带利用率是真正反映通信系统有效性的指标 频带利用率 对多进制而言 信息传输速率与符号速率的关系如下 31 可靠性指标 用差错率表示 常用的差错率指标有平均误码率 平均误字符率 平均无码组率 差错率是一个统计平均值 因此在测试或统计时 总的发送比特 字符 码组 数应达到一定的数量 否则得出的结果将失去意义 32 1 1 2通信信号 通信系统的作用是传递信息 被传递的信息在通信系统中被变换成某种形式的物理量 如光 声 电等等 这些物理量就称为通信信号 从数学角度来说 信号通常看成是时间的函数 在时域上可以划分为连续函数和离散函数的 例如 我们打电话 声音通过话筒转换成电信号 当发话者声音改变时 电信号的大小也随着改变 即信号是随着时间的变化而变化的 33 从通信的角度而言 信号是传递信息的载体 常划分为模拟信号和数字信号 1 模拟信号 定义 模拟信号是指代表信息的电信号及其参数 幅度 频率或相位 随着信息的变化而连续变化的信号 特点 信号的参数 幅度 频率或相位 连续变化 而在时间上可以连续 也可以不连续 34 模拟信号分为连续的模拟信号和离散的模拟信号 如图1 2所示 35 2 数字信号 特点 因此其特点是幅值被限制在有限个数值之内 它不是连续的而是离散的 如图1 3所示 36 定义 数字信号是指在时间上和幅度上均取离散数值的电信号 两种信号比较 37 模拟信号的幅度取值为无限多个 而数字信号的幅度取值是离散的 且为有限个 模拟信号待传递的的信息包含在信号的波形之中 数字信号待传递的信息不包含在信号的波形之中 而是包含在码元的不同组合之中 即数字信号与模拟信号的不同点在于数字信号不直接与消息对应 3 数字信号的基本形式 最简单的数字信号 二元码 二进制码 幅度 两种不同的瞬时值 38 它有四种不同的基本形式 如下图所示 101101 39 四进制和八进制码P5表1 1和1 2在二进制数字通信系统中 每个码元或每个符号只能是 0 和 1 两个状态之一 实际通信中也可以有多信号电平系统 即对应多进制码 如四进制和八进制 进制越大 携带的信息量就越大 例如 一个八进制符号就能代表三位二进制码组 即包含3比特的信息量 但是 进制越高 级差越小 抗干扰能力越差 4 数字信号码型 40 基带信号 即原始信号的电脉冲形式 基带信号的频谱通常是从零频开始的 所以将其称为基带信号 基带信号的码型有如下几种 二元码 采用二个电平编出的码型 例如 单极性不归零码 三元码 幅度取值为 1 0 1 AMI与HDB3码 41 mBnB码 把输入的信息码按m个比特为一组然后变换为n个比特 且n大于m 如在光纤通信中常用的5B6B码 通信业务的发展趋势对线路码型的要求 由于传输信道中有许多电感 电容元件 因其频率特性 如对直流的截止特性 对线路码型 42 的要求如下 频谱中不存在直流成分 低频分量尽量小 尽量减少码型频谱中的高频分量 具有一定的抗干扰能力 便于时钟信号的提取 具有较好的传输效率 码型变换设备简单 易于实现 43 1 1 3通信信道 任何通信系统都包括发送 信道和接收三个部分 信道主要是信息的通道又是传递信号的设施 通信线路是指通信中所采用的具体线路及其结构 通常采用多路复用等技术将一条通信线路分割成若干信道 以提高线路的利用率 降低通信费用 1 通信媒体 传输媒介 通信线路 及其传输特性 明线及其传输特性图1 5结构 特点 44 双传线及其传输特性 同轴电缆及其传输特性 光纤及其传输特性光纤的结构与传输图1 6 微波通信及其特点中继传输图1 7 卫星通信及其特点卫星通信系统图1 8微波通信和卫星通信都是无线通信 利用大气空间和自由空间作为传输媒介 2 通信方式 单工通信 信息只能单向传送或某一时间内只能使用发信机或收信机 45 半双工通信可以双向传送信息 但两个方向只能轮流分时发送 不能同时传送 全双工通信信息可同时双向传送 3 传输方式按照传输信号在通信信道中的时空顺序分类 串行传输 指数字信号在一个信道上以按位依次传输字符的方式传输 46 串行传输只需要一条传输信道 线路利用率高 易于实现 是目前主要采用的一种传输方式 但是 串行传输存在一个收发双方如何保持码组或字符同步的问题 另外在发送端和接收端要分别进行并 串转换和串 并转换 并行传输 是指信号数据以成组的方式在多条并行的信道上同时传输 并行传输必须有并行的多条信道 成本较高 这将带来了设备上或实施条件上的限制 47 因此实际应用受限 但是 收发双方不存在字符的同步问题 不需要对传输数据作时序变换 能简化终端装置的结构 4 同步方式根据字符同步方式的不同 可划分为 异步传输 以字符为单位传输 每一传送的字符都附加一位起始位和一位或多位停止位 异步传输是字符内的同步 字符之间的异步 同步传输 将每个完整的数据块 帧 作为整体来传送 字符间无起停位 传输效率高 48 5 复用方式复用 即在一条信道上传输多路信息 以提高信道利用率 频分复用 接照频率参量的差别来分割信号即信道的可用频率带宽被分成几个互不交叠的频段 每路信号占据一个频段 为了防止各路信号间的相互干扰 各路信号所占的频段之间还需要留有一定的 保护频段 在模拟通信系统中应用 注意 串扰 相互干扰 必须线性调制 49 1 1 4通信网 应用技术本科学生已学 1 1 5通信协议不讲1 1 6标准化组织 自学 时分复用 接照时间参量来分割信号 采用分时技术 每路信号分配一个时隙 使各路信号在时间轴上互不重叠 如果某路终端装置无字符发送 则多路复用器发送一个空字符 以保持序列顺序 注意 同步 50 1 2通信发展趋势P16 1 2 1通信发展